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LU79855A1 - NITROGEN-CONTAINING COBALT-CHROME-MOLYBDENE ALLOY - Google Patents

NITROGEN-CONTAINING COBALT-CHROME-MOLYBDENE ALLOY Download PDF

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LU79855A1
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LU
Luxembourg
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alloy
nitrogen
carbon
approximately
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LU79855A
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A Kesh
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Howmedica
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Description

1.1.

tt

On connaît bien dans la technique des alliages coulés à base de cobalt contenant du chrome et du molybdène.It is well known in the art of cast alloys based on cobalt containing chromium and molybdenum.

Ils se caractérisent par une combinaison très avantageuse de propriétés à température ambiante c'est-à-dire la solidité» , 5 la résistance à la fatigue» la ductilité» la résistance à l'usure» la résistance à la corrosion, la compatibilité avec des tissus biologiqueset la une dureté modérée et pour cette raison^on les a largement utilisés dans les techniques dentaires et orthopédiques comme matières premières pour des pro-10 thèses coulées telles que les dentiers et des implants chirurgicaux (voir, par exemple, American Society for Testing Materials Désignation P 75-67, "Standard Spécification for Cast Cobalt-Chromium-Molybdenum Alloy for Surgical Implants") ; brevet des Etats-Unis d'Amérique redélivré (Reissue) n° Re 15 20 877, brevet des Etats-Unis d’Amérique n° 2 674 571)vThey are characterized by a very advantageous combination of properties at ambient temperature, that is to say the solidity ", 5 the resistance to fatigue" the ductility "the resistance to wear" the resistance to corrosion, the compatibility with biological tissues and moderate hardness and for this reason they have been widely used in dental and orthopedic techniques as raw materials for cast prostheses such as dentures and surgical implants (see, for example, American Society for Testing Materials Designation P 75-67, "Standard Specification for Cast Cobalt-Chromium-Molybdenum Alloy for Surgical Implants"); U.S. Patent Reissued (Reissue) No. Re 15 20,877, U.S. Patent No. 2,674,571) v

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 2 180 549 révèle l'utilisation d'un alliage à base de cobalt contenant environ 10 à 40 % de chrome, environ 5 h 20 % de molybdène et jusqu'à 0»6 % de carbone comme matière première pour des ar-20 ticles de prothèses coulés et pour des fils métalliques ouvrés. Cet alliage possède une plus grande résilience, une plus grande ténacité et une plus grande résistance aux acides- qu’un alliage contenant moins de molybdène et/ou plus de carbone.U.S. Patent No. 2,180,549 discloses the use of a cobalt-based alloy containing about 10 to 40% chromium, about 5 h 20% molybdenum and up to 0.6% of carbon as raw material for cast articles of prostheses and for wrought metal wires. This alloy has greater resilience, greater toughness and greater resistance to acids than an alloy containing less molybdenum and / or more carbon.

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 544 315 25 révèle un alliage pour mouler des dentiers constitué essentiellement par 50 à 60 % de cobalt, 20 à 28 % de chrome, 10 à 20 % de nickel, 3,7 à 4,1 % de molybdène et 0,18 à 0,22 % de carbone. D'après ce texte, les domaines étroits de molybdène et de carbone optimiseraient la combinaison de solidité» de dureté, > 30 de ductilité et de résistance.U.S. Patent No. 3,544,315 discloses an alloy for molding dentures consisting essentially of 50 to 60% cobalt, 20 to 28% chromium, 10 to 20% nickel, 3.7 to 4.1% molybdenum and 0.18 to 0.22% carbon. According to this text, the narrow domains of molybdenum and carbon would optimize the combination of strength, hardness, ductility and strength.

L'alliage coulé cobalt-chrome-molybdène pour implants chirurgicaux, vendu sous la marque Vitallium (Hovrnedica, Inc., New York, Etats-Unis) a la composition approximative 35 suivante : • Pourcentage en poids Chrome 28The cobalt-chromium-molybdenum cast alloy for surgical implants, sold under the brand name Vitallium (Hovrnedica, Inc., New York, United States) has the following approximate composition: • Percentage by weight Chromium 28

Molybdène 6Molybdenum 6

Manganèse 0,65 r « . "'n 4 2.Manganese 0.65 r ". "'n 4 2.

Silicium Ο>70Silicon Ο> 70

Nickel Οι 5Nickel Οι 5

Fer 0,5Iron 0.5

Tungstène 0,2 5 Carbone 0,20-0,26 ïTungsten 0.2 5 Carbon 0.20-0.26 ï

Azote 0,125—0,25Nitrogen 0.125 - 0.25

Cobalt resteCobalt stays

On ajoute de l’azote à cet alliage coulé pour améliorer ses propriétés à la traction, de résistance à la fati-'10 gue et de ductilité à température ambiante. Le vitallium a des propriétés de tout premier ordre comme alliage coulé pour implants chirurgicaux et pour l’art dentaire et on l’a utilisé très largement et avec succès dans ces buts. Toutefois, on cherche des propriétés d’alliage encore supérieures, en par-15 ticulier de résistance à la fatigue de la flexion pour améliorer encore la performance de cet alliage dans ses applications critiques-Nitrogen is added to this cast alloy to improve its tensile properties, resistance to fatigue and ductility at room temperature. Vitallium has world-class properties as a cast alloy for surgical implants and dentistry and has been used widely and successfully for these purposes. However, we are looking for even higher alloy properties, in particular bending fatigue resistance to further improve the performance of this alloy in its critical applications-

On sait que lorsqu* on coule des alliages à base de cobalt dans une atmosphère contenant de l’azote plutôt que de 20 les fondre dans le vide, ces alliages absorbent de l’azote en faible quantité dans leur composition [Elsea, A.R. et HcBride C.C., Trans. A.I.M.E., .188, 154-161 (1950) ; Fletcher E.E. et Elsea A.R., Trans. A.I.M.E. 215, 917-925 (1959) ; Lane J.R. et Grant N.J., Trans. Amer. Soc. Metals, 44, 113-137 (1952)].It is known that when cobalt alloys are poured into an atmosphere containing nitrogen rather than melting them in a vacuum, these alloys absorb nitrogen in small amounts in their composition [Elsea, AR and HcBride CC, Trans. A.I.M.E.,. 188, 154-161 (1950); Fletcher E.E. and Elsea A.R., Trans. LOVE. 215, 917-925 (1959); Lane J.R. and Grant N.J., Trans. Bitter. Soc. Metals, 44, 113-137 (1952)].

25 II y a plus de 20 ans, on a dit que des barres en “stellite 21“(Cabot Corp. Kokomo, Ind.), un alliage cobalt-chrome-molybdène pour implants chirurgicaux contenant environ . 0,3 % de carbone et environ 3 % de nickel, contenaient aussi 0,09 à 0,17 % d’azote (Weeton, J.W. et Signorellî R.A. Trans.25 More than 20 years ago, it was said that bars made of "stellite 21" (Cabot Corp. Kokomo, Ind.), A cobalt-chromium-molybdenum alloy for surgical implants containing approx. 0.3% carbon and approximately 3% nickel, also contained 0.09 to 0.17% nitrogen (Weeton, J.W. and Signorellî R.A. Trans.

30 Amer. Soc. Metals 47, 815-852 (1955)).30 Bitter. Soc. Metals 47, 815-852 (1955)).

On a recommandé la fabrication d'implants chirurgicaux en alliage cobalt-chrome-molybdène sous forme d’objets ouvrés plutôt que coulés pour augmenter la solidité, la ductilité, la dureté, la résistance à la corrosion, la résistance •35 à la fatigue et à l’usure. On améliore ensuite la ductilité, la résistance à la corrosion, la résistance à la fatigue et à l’usure de l’alliage à l'état forgé par un traitement ultérieur à environ 1050°C. [Devine T.M., Kummer FCJ. et Wulff J., .1 3.The manufacture of cobalt-chromium-molybdenum alloy surgical implants has been recommended as workpieces rather than castings to increase strength, ductility, hardness, corrosion resistance, fatigue resistance and to wear. The ductility, the corrosion resistance, the fatigue resistance and the wear resistance of the alloy in the forged state are then improved by a subsequent treatment at approximately 1050 ° C. [Guess T.M., Kummer FCJ. and Wulff J., .1 3.

ΛΛ

Journal of Materials Science* 7, 126-128 (1972) ; Devine T.M.i Cohen J. et Wulff J. Proceeding3of the New England Conference on Bioengineering (Pope, M.H. et collaborateursj ed>) 136-153 (1973) ; voir aussi brevet des Etats-Unis d’Amé-5 rique n° 2 486 576] ·Journal of Materials Science * 7, 126-128 (1972); Devine T.M.i Cohen J. and Wulff J. Proceeding3of the New England Conference on Bioengineering (Pope, M.H. et al. Ed.) 136-153 (1973); see also United States patent 5,246,576]

Malheureusement, la production commerciale d’implants chirurgicaux ouvrés est économiquement prohibitive s’il faut réaliser la forme finale de l’implant par une méthode telle qu’un travail à froid avec un ajustage mécanique subsé-10* quent. Une voie nettement préférable serait de forger l’allia- 4 te directement dans la forme irrégulière voulue. Toutefois, on ne connaît pas actuellement de procédé économiquement réalisable dans lequel· on puisse forger directement un alliage commercial pour implants chirurgicaux cobalt-chrome-molybdène direc-15 tement en implants chirurgicaux sans un pourcentage élevé de cassures pendant le forgeage.Unfortunately, commercial production of worked surgical implants is economically prohibitive if the final shape of the implant is to be achieved by a method such as cold working with subsequent mechanical adjustment. A clearly preferable route would be to forge the alloy 4 directly into the desired irregular shape. However, no economically feasible method is currently known in which · a commercial alloy for cobalt-chromium-molybdenum surgical implants can be directly forged directly into surgical implants without a high percentage of breakage during forging.

Il est connu du technicien que l’on peut augmenter la ductilité et l’aptitude au travail à froid ou à chaud d'un alliage à base de cobalt contenant du chrome et du molybdène enréduisant 2o la teneur en carbone de l’alliage. On peut aussi améliorer d’habitude la résistance à la corrosion par une telle réduction (Devine, Cohen et Wulff, ouvrage cité). On sa-it de façon générale que le chrome augmente la solidité, la dureté et la résistance à la corrosion aux dépens de l’aptitude à la transformation, alors que 25 l’on sait de façon générale que le molybdène augmente la solidité et la dureté aux dépens de l’aptitude à la transformation (voir brevet des Etats-Unis d’Amérique n° 3 433 631, mais comparer aussi brevet des Etats-Unis d’Amérique n° 4 012 229).It is known to the technician that it is possible to increase the ductility and the aptitude for cold or hot working of a cobalt-based alloy containing chromium and molybdenum reducing 2o the carbon content of the alloy. Corrosion resistance can also usually be improved by such a reduction (Devine, Cohen and Wulff, cited work). It is generally known that chromium increases strength, hardness and corrosion resistance at the expense of processability, while it is generally known that molybdenum increases strength and hardness at the expense of processability (see United States Patent No. 3,433,631, but also compare United States Patent No. 4,012,229).

30 On ne comprend pas bien l’action de faibles quan tités d’azote sur l’aptitude à la transformation d’alliage cobalt-chrome-molybdène et sur les propriétés de la matière travaillée à chaud résultante.The action of small quantities of nitrogen on the processability of the cobalt-chromium-molybdenum alloy and on the properties of the resulting hot worked material is not well understood.

Le brevet des Etats-Unis d’Amérique n° 2 746 860 35 révèle un alliage coulé à base de cobalt destinéà être utilisé à haute température et contenant 23 à 36 % de chrome, 2 à 15 % de nickel, 12 à 16 % de tungstène, jusqu’à 3 % de molybdène (la somme de tungstène plus molybdène ne dépassant pas 16 %) j > :· λ 4.U.S. Patent No. 2,746,860 35 discloses a cobalt-based cast alloy for use at high temperatures containing 23 to 36% chromium, 2 to 15% nickel, 12 to 16% of tungsten, up to 3% molybdenum (the sum of tungsten plus molybdenum not exceeding 16%) j>: · λ 4.

t 0,2 à liΟ % de borei une quantité de manganèse destinée à enlever l'oxygènei jusqu'à 5 % de feri 0,3 à 0,9 % de carbone et jusqu'à 0,25 % d'azote. La ductilité à chaud est sérieusement altérée quand la quantité de carbone est supérieure à 5 0,4 %, On inclut l'azote pour la stabilité à haute tempéra- r ture envers la frigilisation. Toutefois, le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 2 977 244 enseigne qu'une teneur en azote supérieure à environ 0,04 % en poids dans un alliage à base de carbone coulé ou ouvré contenant 19 à 22 % de chrome, 11,5 à *10 13,5 % de tungstène, jusqu'à 0,15 % en poids de bore, jusqu'à 3 % de molybdène et jusqu'à 0,25 % de carbone est nocive à la stabilité envers la rupture sous contrainte à 927°C.t 0.2 to liΟ% boroni an amount of manganese intended to remove oxygeni up to 5% feri 0.3 to 0.9% carbon and up to 0.25% nitrogen. Hot ductility is seriously impaired when the amount of carbon is greater than 0.4%. Nitrogen is included for high temperature stability towards refrigeration. However, U.S. Patent No. 2,977,244 teaches that a nitrogen content greater than about 0.04% by weight in a cast or worked carbon alloy containing 19 to 22% chromium, 11.5 to * 10 13.5% of tungsten, up to 0.15% by weight of boron, up to 3% of molybdenum and up to 0.25% of carbon is harmful to the stability towards rupture under stress at 927 ° C.

On enseigne que la présence d'azote comme celle du carbone,diminue l'aptitude à la transformation à froid de l'ai — 15 liage ouvré à base de cobalt décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 355 542 (Co—Ni—Cr—Ko)·It is taught that the presence of nitrogen, like that of carbon, decreases the cold-processing ability of the cobalt-based fabricated bond described in U.S. Patent No. 3,355,542 (Co — Ni — Cr — Ko) ·

Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 366 478 révèle que l’aptitude au forgeage d'un alliage comprenant environ 15 à 30 % de chrome, environ 10 à 30 % de nickel, envi-20 ron 2 à 12 % de tantale, jusqu'à environ 3 % de molybdène, environ 0,03 à 0,20 % de carbone et le reste du cobalt augmente de façon marquée par addition d'environ 0,01 à 5 % de zirco- — nium. Le rôle attribué au zirconium est de s'associer chimiquement avec le carbone et des éléments indésirables tels que 25 l'oxygène et l'azote (que l'on doit tenir à un niveau aussi bas que possible).U.S. Patent No. 3,366,478 discloses that the forging ability of an alloy comprising about 15-30% chromium, about 10-30% nickel, about 20-12% tantalum, up to about 3% molybdenum, about 0.03 to 0.20% carbon and the rest of the cobalt increases markedly by the addition of about 0.01 to 5% zirconia. The role assigned to zirconium is to chemically associate with carbon and unwanted elements such as oxygen and nitrogen (which should be kept as low as possible).

La Demanderesse a découvert un nouvel alliage constitué essentiellement par environ 22 à 27 % en poids de chrome, environ 3 à 6 % en poids de molybdène, environ 0,10 à 0,25 % 30 en poids d'azote, jusqu'à environ 0,15 % en poids de carbone, jusqu'à environ 1 % en poids de manganèse, jusqu'à environ 1 % en poids de silicium, jusqu'à environ 2 % de fer, jusqu'à environ 2 % de nickel, et le reste en cobalt«, Il possède, une grande aptitude à être ouvré à chaud et on peut le forger fa-35 cilement directement en des formes irrégulières. Des objets ouvrés fabriqués en cet alliage possèdent d'excellentes propriétés de résistance à température ambiante, de résistance à la fatigue, de résistance à l'usure, de dureté, de ductilité, de résistance à la corrosion et une excellente compatibilité /-Λ 5.The Applicant has discovered a new alloy consisting essentially of approximately 22 to 27% by weight of chromium, approximately 3 to 6% by weight of molybdenum, approximately 0.10 to 0.25% by weight of nitrogen, up to approximately 0.15% by weight of carbon, up to approximately 1% by weight of manganese, up to approximately 1% by weight of silicon, up to approximately 2% of iron, up to approximately 2% of nickel, and the rest in cobalt ", It has a great ability to be hot worked and can be easily forged directly into irregular shapes. Fabricated articles of this alloy have excellent properties of resistance to room temperature, resistance to fatigue, resistance to wear, hardness, ductility, corrosion resistance and excellent compatibility / -Λ 5 .

avec le tissu biologique. Ce nouvel alliage est ainsi une excellente matière première pour des implants chirurgicaux ouvrés tels que des tiges prolongeant les prothèses de hanches et des clous chirurgicaux.with biological tissue. This new alloy is thus an excellent raw material for worked surgical implants such as rods extending hip prostheses and surgical nails.

' 5 L'invention couvre ce nouvel alliage et des implants chirurgicaux ouvrés fabriqués en cet alliage.The invention covers this new alloy and worked surgical implants made of this alloy.

On dit que l'alliage selon l'invention est ouvré > · tel que le terme est défini ici, s'il a été travaillé à chaud à une température au-dessus de sa température de recristalli-10 sation (environ 1038°) au moins une fois après avoir été coulé de façon à réduire une dimension linéaire d'au moins environ 5 %, Le but principal d'un tel traitement est de donner de la solidité et de la résistance à la fatigue à l'alliage.It is said that the alloy according to the invention is worked> · as the term is defined here, if it has been hot worked at a temperature above its recrystallization temperature (around 1038 °) at at least once after being cast so as to reduce a linear dimension by at least about 5%. The main purpose of such a treatment is to give solidity and resistance to fatigue to the alloy.

La méthode fondamentale de préparation de 1'alliais ge selon la présente invention comprend la coulée d'un lingot possédant la teneur en éléments voulue et,si on le désire la transformation ultérieure du lingot dans une condition de 1*alliage forme et dimension finales désirées. £’alliage peut exister dans de nombreuses conditions différentes dépendant de son 20 histoire, par exemple les conditions de coulée, les conditions de forgeage, les conditions de forgeage et recuit, les conditions de forgeage et recristallisation, les conditions de laminage à froid. On peut utiliser l'alliage selon l'invention comme matière première pour dentiers moulés.The basic method of preparing the alloy according to the present invention comprises casting an ingot having the desired element content and, if desired, further processing the ingot into a condition of the desired final shape and size alloy. . The alloy can exist in many different conditions depending on its history, for example casting conditions, forging conditions, forging and annealing conditions, forging and recrystallization conditions, cold rolling conditions. The alloy according to the invention can be used as a raw material for molded dentures.

25 On fait fondre la charge de métal d'alimentation et on le coule en lingots par des méthodes bien connues du technicien. On ajoute au métal en fusion du cobalt, du chrome et du molybdène dans les proportions voulues dans l'alliage, v On règle la teneur en carbone en utilisant du métal d'alimen-30 tation à faible teneur en carbone. On introduit presque inévitablement des petites quantités de manganèse, de silicium,de fer et de nickel dans l'alliage en fusion comme contaminants de l'assortiment en métaux commercialement disponibles. Le manganèse et le silicium agissent comme désoxydants pendant l’opé-35 ration de fusion.The feed metal charge is melted and poured into ingots by methods well known to the person skilled in the art. Cobalt, chromium and molybdenum are added to the molten metal in the desired proportions in the alloy. The carbon content is adjusted using low carbon feed metal. Small amounts of manganese, silicon, iron and nickel are almost inevitably introduced into the molten alloy as contaminants in the commercially available metal assortment. Manganese and silicon act as deoxidizers during the smelting operation.

On peut introduire 1'azote dans le lingot à un niveau reproductible par n'importe laquelle de plusieurs méthodes, par exemple : i 6.Nitrogen can be introduced into the ingot at a reproducible level by any of several methods, for example: i 6.

(a) addition de la quantité voulue d'azote à l'alliage en fusion sous forme d'un corps tel que CrH et fusion dans une atmosphère inerte (par exemple argon) ; (b) fusion dans une atmosphère d'azote (teneur en azo- , 5 te déterminée par la pression partielle d'azote) ; et (c) fusion à l'air (la teneur en azote est déterminée par la durée de la fusion et la température.(a) adding the desired amount of nitrogen to the molten alloy in the form of a body such as CrH and melting in an inert atmosphere (for example argon); (b) melting in a nitrogen atmosphere (nitrogen content, 5 te determined by the partial pressure of nitrogen); and (c) air melting (the nitrogen content is determined by the duration of the melting and the temperature.

La transformation ultérieure du lingot peut comprendre une ou plusieurs opérations métallurgiques habituelle) les telles que le travail à chaud, l'homogénéisation, le recuit avec mise en solution pour diminuer les tensions» un traitement thermique pour la recristallisation des grains et l'augmentation de la ductilité (c'est-à-dire recuit partiel) ou travail à froid selon les propriétés finales voulues.Subsequent processing of the ingot may include one or more usual metallurgical operations) such as hot working, homogenization, annealing with dissolution to reduce tensions "a heat treatment for recrystallization of the grains and the increase in ductility (that is to say partial annealing) or cold working according to the desired final properties.

15 Une opération de travail à chaud préférée est le forgeage à chaud» défini grosso modo comme le fait d'ouvrer le métal à une température supérieure à sa température de recris-, tallisation» en une forme de dimension définie à l'aide de marteaux ou de presses. On peut facilement forger à chaud 20 l'alliage selon la présente invention sans qu'il y ait une forte proportion de cassures directement en objets solides» résistant à la fatigue et deformes irrégulières, par exemple de tiges prolongeant des prothèses de hanches, ·. à un prix beaucoup plus faible qu'en le formant dans des formes irrégulières par d'au-25 très méthodes telles que le travail à froid suivi d'ajustage mécaniqueo On peut utiliser n'importe quelle méthode habituelle de forgéage (par exemple forgeage au marteau, . estampage, emboutissage).15 A preferred hot work operation is hot forging "roughly defined as working metal at a temperature above its recrystallization temperature" into a shape of defined size using hammers or presses. The alloy according to the present invention can easily be hot-forged without there being a large proportion of breaks directly in solid objects "resistant to fatigue and irregular shapes, for example of rods extending hip prostheses,. at a much lower price than by forming it in irregular shapes by other methods such as cold working followed by mechanical adjustment. Any usual forging method can be used (for example hammer,. stamping, stamping).

L'alliage selon l'invention forgé dans les condi-i 30 tions indiquées possède à température ambiante une résistance à la traction,une résistance àlalimite d*élasticité,, une résistance à la fatigue» une dureté eu une résistance a la corrosion par des fluides physiologiques nettement supérieurs à ceux, de l'alliage coulé de même composition. Une opération 35 après forgeage particulièrement avantageuse est un recuit partiel d'un objet à l'état forgé pour augmenter sa ductilité, sans diminuer sa résistance à la traction de plus de 10 % en soumettant ledit objet à un traitement thermique à une tempé- ! / ! ! 7.The alloy according to the invention forged under the conditions indicated i 30 has at room temperature a tensile strength, a resistance to the elasticity limit, a resistance to fatigue, a hardness a resistance to corrosion by physiological fluids clearly superior to those of the cast alloy of the same composition. A particularly advantageous operation after forging is a partial annealing of an object in the forged state to increase its ductility, without reducing its tensile strength by more than 10% by subjecting said object to a heat treatment at a temperature! /! ! 7.

I * ! rature supérieure à sa température de recristallisation pen dant une période suffisante pour provoquer une recristallisation pratiquement complète des grains mais insuffisante pour provoquer une croissance substantielle des grains, r 5 La teneur préférée en carbone va jusqu’à environ S 0,1 % en poids» la teneur préférée en azote est d'environ 0,15 à 0,20 % en poids. Un alliage selon la présente invention contenant ces quantités de carbone et d’azote et à l’état de for-geage et de recuit partiel indiqué est une matière de départ * 10 préférée pour des implants chirurgicaux» par exemple des tiges de hanches et des clous chirurgicaux. Un tel alliage dans cet état possède une combinaison unique de propriétés à température ambiantes c’est-à-dire une résistance à la traction d’au moins 105 x 10? Pa,ime résistance à la limite dr élasticité .I *! rature higher than its recrystallization temperature for a period sufficient to cause substantially complete recrystallization of the grains but insufficient to cause substantial grain growth, r 5 The preferred carbon content is up to about 0.1% by weight. the preferred nitrogen content is about 0.15 to 0.20% by weight. An alloy according to the present invention containing these amounts of carbon and nitrogen and in the indicated forging and partial annealing state is a preferred starting material * for surgical implants "for example hip stems and surgical nails. Such an alloy in this state has a unique combination of properties at room temperature i.e. a tensile strength of at least 105 x 10? Pa, ime resistance to the limit dr elasticity.

15 (moins de O»2 % de déformation) d’au moins 6 300x 10^ Pa' environ un allongement (repères de 5,08 cm) d’au moins 18 5° environ, une diminution de la surface (repères de 5»08 cm) d’au moins 18 % environ» une excellente ductilité» un nombre de dureté Rockwell d’environ 30 à 35» une excellente résistance à la 20 corrosion par des fluides physiologiques et une excellente résistance à la fatigue par flexion [aucune rupture après 10 mil lions de cycles de contraintes alternées tension-compression d’au moins 3 500 χ 1Pa environ et d* au moins . 7 xlO^Pa de ten sion maximale (rapport ”A” d’environ 1)]. Un alliage selon la 25 présente invention contenant les teneurs préférées en carbone et enasote et dans les conditions de laminage à froid convient particulièrement pour la fabrication de plaques pour compression.15 (less than 0 »2% deformation) of at least 6 300x 10 ^ Pa 'approximately an elongation (marks of 5.08 cm) of at least 18 5 °, a decrease in the surface (marks of 5 "08 cm) at least about 18%" excellent ductility "Rockwell hardness number of approximately 30 to 35" excellent resistance to corrosion by physiological fluids and excellent resistance to bending fatigue [none failure after 10 mil lions of alternating stress-tension stress cycles of at least 3,500 χ 1Pa and at least d *. 7 x 10 ^ Pa of maximum tension (ratio "A" of about 1)]. An alloy according to the present invention containing the preferred carbon and enasote contents and under cold rolling conditions is particularly suitable for the manufacture of plates for compression.

Un maintien soigneux des quantités de chrome» mo-*30 lybdène et surtout de carbone et de l’azote à l’intérieur des limites critiques révélées dans cette demande est nécessaire pour obtenir les très bonnes caractéristiques pour le forgea-ge de l’alliage selon l’invention. On ne réalise pas ces caractéristiques quand les quantités de chrome» de molybdène ou ? 35 de carbone sont supérieures respectivement à 27,5 ou 0»15 % en poids ou quand la quantité de l’azote est inférieure à environ 0,10 % en poids ou supérieure à environ 0,25 % en poids. Il faut noter que les quantités de chrome et de molybdène sontCareful maintenance of the amounts of chromium and molybdenum and especially of carbon and nitrogen within the critical limits revealed in this application is necessary in order to obtain the very good characteristics for the forging of the alloy. according to the invention. We do not realize these characteristics when the amounts of chromium 'molybdenum or? 35 of carbon are greater than 27.5 or 0.15% by weight, respectively, or when the amount of nitrogen is less than about 0.10% by weight or greater than about 0.25% by weight. It should be noted that the amounts of chromium and molybdenum are

AAT

'y \ 4 ο.'y \ 4 ο.

généralement plus basses dans ce nouvel alliage que dans le vitallium,mais que l'on peut néanmoins obtenir pratiquement des propriétés supérieures par le forgeage à chaud. On ne comprend pas complètement actuellement le mécanisme de l'inter-> 5 action surprenante des constituants de l'alliage. Des photo micrographies de l'alliage selon l'invention dans la condition d'objets forgés et partiellement recuits révèlent l'existence de grains fins uniformes avec une distribution uniforme de carbures. Une structure austénitique est maintenue dans la ma-20 trice. On ne voit pas de quantités significatives de nitrure.generally lower in this new alloy than in vitallium, but that one can nevertheless obtain practically superior properties by hot forging. The mechanism of the surprising interaction of the components of the alloy is not completely understood at present. Photo micrographs of the alloy according to the invention in the condition of forged and partially annealed objects reveal the existence of uniform fine grains with a uniform distribution of carbides. An austenitic structure is maintained in the matrix. We do not see significant amounts of nitride.

Le fer et le nickel sont généralement nuisibles pour la résistance à la corrosion et il faut les maintenir au niveau le plus faible possible. D'un autre côté» le manganèse et le silicium aident à la désoxydation du mélange en fusion et amé-15 liorent l'aptitude au coulage et on préfère qu'ils soient présents dans l'alliage selon l'invention à des teneurs d'environ 0»4 à 0j6 % en poids chacun. L'alliage peut également contenir des impuretés accidentelles, par exemple du soufre ou du phosphore,à des teneurs tellement basses qu'ils n'affectent 20 pas de façon significative des propriétés de l'alliage.Iron and nickel are generally detrimental to corrosion resistance and should be kept as low as possible. On the other hand, manganese and silicon aid in the deoxidation of the molten mixture and improve the flowability and it is preferred that they be present in the alloy according to the invention at levels of about 0.4-4.0% by weight each. The alloy may also contain accidental impurities, for example sulfur or phosphorus, at levels so low that they do not significantly affect properties of the alloy.

Les exemples suivants sont destinés à illustrer davantage 1'“invention sans la limiter.The following examples are intended to further illustrate the invention without limiting it.

EXEMPLES 1-3EXAMPLES 1-3

On recuit avec mise en solution pendant une heure 25 sous une atmosphère d'argon à une température de 1228° et sous une pression de 100 à 150 microns de mercure des barres coulées de 6»35 mm d'épaisseur ayant la composition suivante :6 to 35 mm thick cast bars having the following composition are annealed with dissolving for one hour under an argon atmosphere at a temperature of 1228 ° and under a pressure of 100 to 150 microns of mercury:

Pourcentages en poids Chrome 26,80 30 Molybdène 5,20Percentages by weight Chromium 26.80 30 Molybdenum 5.20

Azote 0,2350.235 nitrogen

Carbone 0,059Carbon 0.059

Manganèse 0,52Manganese 0.52

Silicium 0,58 35 Fer . Oj43Silicon 0.58 35 Iron. Oj43

Nickel 0,27Nickel 0.27

Cobalt resteCobalt stays

On les trempe par un courant ci'asote, on les forge 9.They are quenched by an asote current, they are forged 9.

» à 1145 °C dans une presse à forger i on les traite thermiquement pour recristalliser les grains pendant 20 minutes à 1149°C, on les forge à nouveau à 1149°C jusqu’à une épaisseur de 4j37 mm et ensuite on les moule dans les conditions du forgeage à une , 5 épaisseur de 3,175 mm·»At 1145 ° C in a forging press i they are heat treated to recrystallize the grains for 20 minutes at 1149 ° C, they are forged again at 1149 ° C to a thickness of 4j37 mm and then they are molded in the conditions of forging at a thickness of 3.175 mm

On traite ensuite thermiquement certaines des barres pour recristalliser les grains(recuit partiel) dans l'air pendant une heure à 1093°C (exemple 1), on traite certaines autres thermiquement pour recristalliser les grains (recuit 10 partiel) dans l'air pendant une heure à 112i°C (exemple 2) et on laisse certaines autres telles que forgées (exemple 3). On obtient les résultats suivants concernant les propriétés mécaniques.Some of the bars are then heat treated to recrystallize the grains (partial annealing) in the air for one hour at 1093 ° C (Example 1), some others are heat treated to recrystallize the grains (partial annealing) in the air for one hour at 112 ° C. (example 2) and certain others are left as forged (example 3). The following results are obtained concerning the mechanical properties.

Exemple Résistance Limite dallas- Allon- Limite de la résis-n° à la ticité ; . gement tance à la fatigue traction (0,2 % de défor- % . par flexion (a) (Pa) mation, Pa) Tension Tension alternée maximale _____(Pa) (bj (Pa) (b) 1 12 655x105 7 171xl05 23 3 5S5xlOb 7 311xl05 2o 2 12 655x105 7 171xl05 30 3 13 077x105 11 249xl05 6 3 832xl05 7 874xl05 7 (a) aucune rupture après 10 cycles __ (b) rapport "A" de 0,95 NOTE. - On définit le rapport "A” comme l’amplitude de la 25 tension divisée par la tension de traction moyenne.Example Resistance Limit dallas- Allon- Limit of resistance to number; . tensile fatigue strength (0.2% deformation-% by bending (a) (Pa) mation, Pa) Voltage Maximum alternating voltage _____ (Pa) (bj (Pa) (b) 1 12 655x105 7 171xl05 23 3 5S5xlOb 7 311xl05 2o 2 12 655x105 7 171xl05 30 3 13 077x105 11 249xl05 6 3 832xl05 7 874xl05 7 (a) no break after 10 cycles __ (b) "A" ratio of 0.95 NOTE. - We define the ratio " A ”as the amplitude of the tension divided by the mean tensile tension.

La tension de traction moyenne est la somme algébrique des tensions maximales et minimales dans le cycle. EXEMPLE 4The average tensile tension is the algebraic sum of the maximum and minimum tensions in the cycle. EXAMPLE 4

On fait fondre les composants de l'alliage par une 30 technique de fusion par induction à l'air et on coule un lingot de 6,88 cm de diamètre et 70,11 cm de longueur. On ajoute de 1' azote au mélange en fusion sous forme de nitrure de chrome. On utilise le lingot comme électrode pour refondre des scories d'électrométallurgie en un lingot de 10,16 cm de dia-.35 mètre et de 38,10 cm de longueur ayant la composition suivan-• te :The alloy components are melted by an air induction melting technique and an ingot 6.88 cm in diameter and 70.11 cm in length is poured. Nitrogen is added to the molten mixture as chromium nitride. The ingot is used as an electrode for remelting electro-metallurgical slag into an ingot of 10.16 cm in dia-.35 meter and 38.10 cm in length having the following composition:

Pourcentages en poids Chrome 25,80Weight percent Chrome 25.80

Molybdène 5,49 / . -~s.Molybdenum 5.49 /. - ~ s.

/ 10./ 10.

«"

Azote Ojl26Nitrogen Ojl26

Carbone 0,06Carbon 0.06

Manganèse 0,57.Manganese 0.57.

Silicium 0,49 5 Fer 0,50Silicon 0.49 5 Iron 0.50

Nickel 0,43Nickel 0.43

Cobalt resteCobalt stays

On recuit avec mise en solution ce lingot pendant 3 heures à 1176°C et on le forge ensuite à 1149°C en une bar-10 re carrée de 63,5 On lamine à chaud une partie de cette barre carrée forgée à 1149°C en une plaque de 0,635 cm d'épaisseur et on lamine à chaud l’autre partie à environ 1149°C en une barre ronde de 2,54 cm de diamètre. On réduit la plaque de 0,635 cm d’épaisseur ensuite à froid en une plaque de 0,476 cm 15 d’épaisseur.This ingot is annealed with solution for 3 hours at 1176 ° C. and it is then forged at 1149 ° C. in a square bar of 63.5. One part of this square bar forged at 1149 ° C. is hot rolled. into a 0.635 cm thick plate and the other part is hot rolled at around 1149 ° C. into a 2.54 cm diameter round bar. The 0.635 cm thick plate is then reduced when cold to a 0.476 cm thick plate.

On utilise une partie de la barre de 2,54 cm de diamètre comme matière première pour forger à chaud des tiges de hanches. On réduit le reste à chaud en une baguette de 0,635 cm de diamètre, puis à froid en une baguette de 0,476 cm de 20 diamètre. On utilise une partie de cette bague de 0,476 cm de diamètre pour forger une ébauche de vis par refoulage à chaud.Part of the 2.54 cm diameter bar is used as a raw material for hot forging hip rods. The remainder is reduced hot to a rod of 0.635 cm in diameter, then cold to a rod of 0.476 cm in diameter. A part of this ring, 0.476 cm in diameter, is used to forge a screw blank by hot pressing.

On étudie les propriétés de traction de la plaque de 0,476 cm et d'une portion de la baguette de 0,476 cm de diamètre à température ambiante.' 25 Echantillon Contrainte limite Contrainte à la limiteAllonge- en traction (?a) d'élasticité (0,2 % ment» % __· __ de déformation, Pa) __The tensile properties of the 0.476 cm plate and a portion of the 0.476 cm diameter rod are studied at room temperature. 25 Sample Limit stress Limit stress Extension- in tension (? A) of elasticity (0.2% »% __ · __ of deformation, Pa) __

Plaque de 0,476 cm d'épais- r c 30 seur 18 420xl0ü 15 889 x 10 6,40.476 cm thick plate 30 cm 18 420xl0ü 15 889 x 10 6.4

Baguette de 0,476 cm de dia- t- mètre · 18 445x10? 15 327 x 10^ 24 EXEMPLE 5 ' 35 D'une façon analogue à celle décrite dans 1'exem ple 4, on fabrique un lingot de 10,16 cm de diamètre et de 38,10 cm de longueur possédant la composition suivante :Rod of 0.476 cm in diameter18 445x10? EXAMPLE 5 '35 In a manner analogous to that described in example 4, an ingot of 10.16 cm in diameter and 38.10 cm in length is produced, having the following composition:

Pourcentages en poids Chrome 26,93 40 Molybdène 5,13 11.Percentages by weight Chromium 26.93 40 Molybdenum 5.13 11.

Azote 0,2050.205 nitrogen

Carbone 0,07Carbon 0.07

Manganèse 0,70Manganese 0.70

Silicium 0,52 , 5 Fer 0,17Silicon 0.52.5 Iron 0.17

Nickel 0,10 ' Cobalt resteNickel 0.10 'Cobalt remains

On recuit ce lingot avec mise en solution p··* fani 3 heures à 1176°C et on forge ensuite à 1149°C en une b'a::'-~2 <L0 carrée de 6,35 cm. On lamine à chaud une partie de cett'"= ’b-ar.'e carrée forgée à 1149°C en une plaque de 0,793 cm et en l'autre partie à chaud et on l'étampe à 1149°C en une ronde de 2,54 cm de diamètre. On réduit ensuite à froid la plaqo'1- --e 0,793 cm d’épaisseur en une plaque de 0,635 cm d’épaissi >* 15 On utilise une partie de la barre de 2,54 cm· diamètre comme matière première pour le forgeage à chaud'" tiges de hanches. On réduit le reste en une baguette de '* * '53 cm en la travaillant à chaud, puis en la travaillant à d en une baguette de 0,635 cm de diamètre.This ingot is annealed with solution p ·· * fani 3 hours at 1176 ° C and then forged at 1149 ° C in a b'a :: '- ~ 2 <L0 square of 6.35 cm. One part of this square "" = b-ar.'e forged at 1149 ° C is hot rolled into a 0.793 cm plate and the other part is hot and stamped at 1149 ° C in a round 2.54 cm in diameter. Then reduce the plate 0.73 cm thick when cold to a 0.635 cm thick plate> * 15 Part of the bar is 2.54 cm · Diameter as raw material for hot forging '"hip rods. We reduce the rest to a rod of '* *' 53 cm by working it hot, then working it to d into a rod of 0.635 cm in diameter.

20 On étudie les propriétés en traction à tempe ambiante de la plaque de 0,635 cm d'épaisseur et de la de 0,635 cm de diamètre.—The tensile properties at room temperature of the 0.635 cm thick plate and the 0.635 cm diameter plate are studied.

Echantillon Résistance a Limite d*élas~ Allongé1 la traction ticité . (0,2 % de % 25 _ __ (Pa)_déformation, Pa)-- -----Elastic Limit Resistance Sample ~ Elongated1 tensile strength. (0.2% of% 25 _ __ (Pa) _ deformation, Pa) - -----

Plaque de 0,476 e c- cm d'épaisseur 13 780x10 11 670x10 120.476 e c- cm thick plate 13 780x10 11 670x10 12

Baguette de 0,476 cm de dia- s 30 mètre 14 975x10 12 092x10 19 EXEMPLE 6 * . . x t \Rod, 0.476 cm in diameter, 30 meters 14 975x10 12 092x10 19 EXAMPLE 6 *. . x t \

Fabrication d'implants de prothèses chirurr:.-" -On peut transformer un lingot coulé de form' '* ~~ matique ayant la composition suivante : ’ 35 Pourcentages en poidsManufacture of implants for prostheses chirurr: .- "-It can transform a cast ingot of form '' * ~~ matic having the following composition:’ 35 Percentages by weight

Chrome 22 à 27 'Molybdène 3 à 6Chrome 22 to 27 'Molybdenum 3 to 6

AAT

Azote 0,10 à 0,25 (de pr. '"c 0,15 à ' ^ 40 Carbone Jusqu'à environ 0,15 (de pr_ jusqu’à environ 0, 12, bNitrogen 0.10 to 0.25 (from pr '' c 0.15 to '^ 40 Carbon Up to about 0.15 (from pr_ to about 0.12, b

Manganèse Jusqu 1 à environ 1Manganese Up to 1 to about 1

Silicium Jusqu'à environ 1Silicon Up to about 1

Fer Jusqu'à environ 2Iron Up to about 2

Nickel Jusqu'à environ 2 t 5 Cobalt reste en un implant de prothèse de la façon suivante.Nickel Up to approximately 2 t 5 Cobalt remains in a prosthesis implant as follows.

On fait passer ce lingot à travers un ou plusieurs cycles alternativement de travail à chaud à environ 1093°C et recuit avec mise en solution (pendant environ 1 heure par 2,5 *10 cm d'épaisseur à environ 1176°C dans l'air ou dans un vide partiel). On travaille l'alliage à chaud à environ 1093°C une dernière fois en une barre cylindrique d'environ 2,54 cm de diamètre et ensuite on forge à chaud à environ 1120 à 1149°C en une tige de hanche ou dans une autre forme souhaitée. On 15 recuit ensuite partiellement l'objet en alliage par un traitement à chaud dans l'air ou dans un vide partiel pendant environ une heure à environ 1068°C à 1093°C (recristallisation des grains) et ensuite on le travaille à la machine et on le polit en un implant de prothèse final.This ingot is passed through one or more cycles of hot working alternately at approximately 1093 ° C and annealing with dissolution (for approximately 1 hour by 2.5 * 10 cm thickness at approximately 1176 ° C in the air or in a partial vacuum). The alloy is hot worked at around 1093 ° C one last time in a cylindrical bar of about 2.54 cm in diameter and then hot forged at around 1120 to 1149 ° C in a hip rod or in another desired shape. The alloy object is then partially annealed by heat treatment in air or in a partial vacuum for about an hour at about 1068 ° C to 1093 ° C (grain recrystallization) and then it is worked in the machine and polish it into a final prosthesis implant.

/V\ 3/ V \ 3

Claims (13)

13. «* 1. — Alliage ouvré» caractérisé par le fait qu'il est constitué essentiellement par environ 22 à 27 % en poids de chrome» environ 3 à 6 % en poids de molybdène» environ 0,10 , 5 à 0,25 % en poids d’azote, jusqu’à environ 0,15 % en poids de carbone, jusqu'à environ 1 % en poids de manganèse, jusqu'à » environ 1 % en poids de silicium, jusqu'à environ 2 % en poids de fer, jusqu’à environ 2 % en poids de nickel et pour le reste de cobalt. *10 2. - Alliage selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu’il contient 0,15 à 0,20 % d’azote. O w13. "* 1. - Fabricated alloy" characterized in that it consists essentially of approximately 22 to 27% by weight of chromium "approximately 3 to 6% by weight of molybdenum" approximately 0.10, 5 to 0, 25% by weight of nitrogen, up to about 0.15% by weight of carbon, up to about 1% by weight of manganese, up to about 1% by weight of silicon, up to about 2% by weight of iron, up to about 2% by weight of nickel and the rest of cobalt. * 10 2. - Alloy according to claim 1, characterized in that it contains 0.15 to 0.20% nitrogen. O w 3. Alliage selon la revendication 1/\ caractérisé par le fait qu'il contient jusqu'à environ 0,1 % de carbone.3. Alloy according to claim 1 / \ characterized in that it contains up to about 0.1% carbon. 4. Alliage selon la revendication 1, caractérisé 15 par le fait qu’il contient le manganèse et le silicium en un pourcentage en poids de 0,4 à 0,6 chacun.4. Alloy according to claim 1, characterized in that it contains manganese and silicon in a percentage by weight of 0.4 to 0.6 each. 5. Objet, caractérisé par le fait qu’il est fabriqué dans l’alliage selon la revendication 1.5. Object, characterized in that it is manufactured in the alloy according to claim 1. 6. Implant chirurgical, caractérisé par le fait 20 qu’il est fabriqué dans l’alliage selon la revendication 1.6. Surgical implant, characterized in that it is manufactured in the alloy according to claim 1. 7. Objet en alliage forgé à chaud, caractérisé — par le fait qu’il est constitué essentiellement par environ 22 à 27 % en poids de chrome, environ 3 à 6 % de molybdène, environ 0,10 à 0,25 % en poids d’azote, jusqu'à environ 0,15 25 % en poids de carbone, jusqu'à environ 1 % en poids de manga nèse, jusqu'à environ 1 % en poids de silicium, jusqu'à environ 2 % en poids de fer, jusqu'à environ 2 % en poids de nickel, et poux le reste de cobalt.7. Object in hot forged alloy, characterized - by the fact that it consists essentially of approximately 22 to 27% by weight of chromium, approximately 3 to 6% of molybdenum, approximately 0.10 to 0.25% by weight nitrogen, up to about 0.15% by weight of carbon, up to about 1% by weight of manga nese, up to about 1% by weight of silicon, up to about 2% by weight of iron, up to about 2% by weight of nickel, and lice the rest of cobalt. 8. Objet selon la revendication 7, caractérisé r 30 par le fait qu'il contient 0,15 à 0,20 % d'azote.8. Object according to claim 7, characterized r 30 in that it contains 0.15 to 0.20% nitrogen. 9. Objet selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par le fait qu'il contient jusqu'à environ 0,1 % en * poids de carbone.9. Object according to claim 7 or 8, characterized in that it contains up to about 0.1% by weight of carbon. 10. Objet selon la revendication 7, caractérisé 35 par le fait qu'il contient le manganèse et le silicium en une proportion de 0,4 à 0,6 % en poids chacun.10. Object according to claim 7, characterized in that it contains manganese and silicon in a proportion of 0.4 to 0.6% by weight each. 11. Objet selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'objet est à l'état forgé. / Λ 14. (11. Object according to claim 7, characterized in that the object is in the forged state. / Λ 14. ( 12. Objet selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'objet est à l'état forgé et partiellement recuit.12. Object according to claim 7, characterized in that the object is in the forged state and partially annealed. 13. Objet selon la revendication 7 ou 12, carac- * 5 térisé par le fait que l'objet est un implant chirurgical.13. Object according to claim 7 or 12, charac- * terized in that the object is a surgical implant. 14. Implant chirurgical selon la revendication 13, caractérisé par le fait qu'il est sous la forme d'une tige de prothèse de hanche. T é14. A surgical implant according to claim 13, characterized in that it is in the form of a hip prosthesis rod. T é
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